宋 云，王 東

(1.黃岡市氣象局，黃岡438000；2.宿州市氣象局，宿州234000)

0 引言

日照是指太陽在一地實際照射的時數(shù)。世界氣象組織(WMO)對日照時數(shù)的定義是在給定時間內(nèi)，太陽直接輻照度≥120 W·m-2的時間段總和[1，2]。近年來，諸多氣象學者對日照自動化觀測與人工觀測資料進行對比分析，并針對國內(nèi)外各類光電式日照計性能、發(fā)展趨勢做了大量分析工作[3-5]。文章對黃岡市10個國家級觀測站的DFC2光電式數(shù)字日照計(以下簡稱數(shù)字式)自動觀測數(shù)據(jù)與暗筒式日照計(以下簡稱暗筒式)人工觀測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果進行分析，找出產(chǎn)生差異的主要原因，為光電式數(shù)字日照計運行維護、資料統(tǒng)計及應用提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)字式和暗筒式日照儀器觀測原理

DFC2光電式數(shù)字日照計采用HYSD-1型光電式數(shù)字日照傳感器，傳感器采用置于光學鏡筒中的3個同軸光電感應器對總輻射和散射輻照進行自動連續(xù)觀測，根據(jù)計算出的直接輻照度判斷有無日照[6-8]。

直接輻射為總輻射和散射輻射的差值，當測得的直接輻照度≥120 W·m-2，日照傳感器輸出1 V的高電平，表示有日照，輸出0 V的低電平時，表示無日照。傳感器每10 s對光電感應器件進行1次采樣，對采樣得到的電壓信號進行判斷，如果判斷為有日照，則將采樣時間間隔累計到日照時間，每分鐘對日照時間四舍五入取整后輸出，單位為min，小數(shù)部分保留，繼續(xù)累積到下1 min。分鐘日照數(shù)據(jù)儲存在存儲器內(nèi)，由臺站地面綜合觀測業(yè)務軟件(ISOS)讀取[9-11]。

暗筒式日照計測量原理是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的日照紙上留下感光跡線，從而計算出日照時間，單位為0.1 h(6 min)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取2019-01-01—2019-06-30黃岡市10個國家級臺站平行觀測的日照時數(shù)資料。通過對兩種方式觀測的日照時數(shù)進行必要的質(zhì)量檢查[12]，剔除缺測日、無日照日和錯誤日數(shù)據(jù)，剩余有效對比日數(shù)共1177 d(組)。

1.3 研究方法

根據(jù)差值、相對差值、標準差和相關(guān)系數(shù)等指標，對DFC2光電式數(shù)字日照計與暗筒式日照計觀測的日照時數(shù)進行差異分析。

差值：

Xi=Ui-Ai

(1)

相對差值：

(2)

標準差：

(3)

相關(guān)系數(shù)：

(4)

式(1)～(4)中，Ui為第i次數(shù)字日照計觀測值；Ai為第i次暗筒式日照計觀測值，當Ai≥2h時，計算Zi。

2 結(jié)果與分析

2.1 逐小時日照時數(shù)差異

通過統(tǒng)計逐小時數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)可知，兩種觀測值的變化規(guī)律較為一致。具體表現(xiàn)為：在日出(日落)時段，數(shù)字式觀測值多于暗筒式觀測值，隨著日照時數(shù)的快速升高(降低)，兩者差值逐漸擴大，當日照時數(shù)變化率達到最大時，數(shù)字式與暗筒式日照差異達到最大。統(tǒng)計表明：日出時間段數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)差值在0～1.0 h·h-1，日落時間段差值在-0.3～0.3 h·h-1；08：00—10：00隨著環(huán)境溫度的升高，儀器感應面和環(huán)境之間的熱傳導減小，差值較??；10：00—16：00數(shù)字式日照時數(shù)較暗筒式值偏少，其中13：00—14：00時偏少最多(-0.5 h·h-1)，可能的原因是人工劃線或判斷存在偏差。

2.2 逐日日照時數(shù)差異

通過對1177組有效樣本值統(tǒng)計表明，數(shù)字式平均日照時數(shù)略高于暗筒式，數(shù)字式日照時數(shù)日平均值為5.77 h·d-1，暗筒式日平均為5.75 h·d-1，平均差值為0.02 h·d-1，平均相對差值為0.3%。分析數(shù)據(jù)中共出現(xiàn)12 d暗筒式觀測值>2.0 h(最大4.9 h)而數(shù)字式值為0 h的情況，主要是由兩種觀測儀器感光閾值的差異造成的。

從數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)的點聚圖(圖1)可看出，數(shù)字式觀測與暗筒式觀測的數(shù)據(jù)一致性較好，兩者相關(guān)系數(shù)高達0.9646，表明數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)之間的線性關(guān)系顯著，其線性系數(shù)(換算系數(shù))為0.9625，且隨著日照時數(shù)的增加，數(shù)字式與暗筒式的日照時數(shù)結(jié)果更為接近。

標準差(s)可以衡量數(shù)據(jù)圍繞平均值的變化幅度，標準差越小，表示數(shù)據(jù)離散程度越小，則大部分數(shù)據(jù)接近平均值。將數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)的日差值以1倍標準差(按照公式3計算1s=1.02 h)和2倍標準差(2s=2.04 h)作為參數(shù)分析，以0.1 h為間隔進行分段統(tǒng)計，從數(shù)字式與暗筒式逐日日照時數(shù)的日差值頻率分布可知，日差值>2s的日數(shù)為74 d，占樣本總數(shù)的4.1%；日差值為正值的日數(shù)為620 d，占樣本總數(shù)的34.3%，平均差值為0.67 h·d-1；日差值為負值的日數(shù)為448 d，占樣本總數(shù)的24.8%，平均差值為-0.88 h·d-1。將數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)的日相對差值以10%為間隔進行分段統(tǒng)計，可知日相對差值在±5%之間的占39.3%，日相對差值在±10%之間的占61.3%，日相對差值在±20%之間的占80.5%。數(shù)字式和暗筒式日照時數(shù)的差值與相對差值均呈偏正態(tài)分布。

圖1 數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)的點聚圖

2.3 逐月日照時數(shù)差異

文章統(tǒng)計了各站逐月平均日照時數(shù)，數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)月差值最大為0.39 h·d-1，出現(xiàn)在1月，其次為0.12 h·d-1，出現(xiàn)在3月，最小為0.01 h·d-1，出現(xiàn)在5月；月相對差值最大為-7.41%，出現(xiàn)在2月，其次為-5.15%，出現(xiàn)在3月，最小為1.03%，出現(xiàn)在4月；月差值標準差3月最大，為1.13，其次是4月，為1.05，2月最小，為0.9。數(shù)字式與暗筒式的換算系數(shù)5月最接近于1(0.9833)，且其相關(guān)系數(shù)值最大(0.9727)。通過分析對應月份的天氣狀況得出：差值小的5月、6月對應的天氣基本都是視程障礙物影響比較少，能見度相對比較好；相反，1月太陽輻射相對較弱，有云天氣較多，加之由于數(shù)字式和暗筒式觀測儀器的靈敏度存在差異，表現(xiàn)為數(shù)字式日照時數(shù)較暗筒式明顯偏多。

2.4 不同氣象條件下日照時數(shù)差異分析

日照變化是云量、水汽、大氣渾濁度等多種因子共同作用于太陽輻射的結(jié)果，數(shù)字式與暗筒式儀器的靈敏度也受環(huán)境條件的影響。

1)選取日平均氣溫5 ℃、10 ℃、15 ℃……，每間隔5 ℃取1個值。當日平均氣溫在5 ℃、10 ℃、25 ℃時，數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)差值為正，其中氣溫在5 ℃時，差值最大，為0.31 h·d-1，10 ℃時次之(0.20 h·d-1)；氣溫在15 ℃、30 ℃時，差值為負，其中，氣溫在15 ℃時差值最大，為-0.17 h·d-1；氣溫在20 ℃時，數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)趨于一致，差值為0 h·d-1。當日平均氣溫在5 ℃、10 ℃時，數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)相對差值為正，5 ℃時相對差值最大，為3.54%；氣溫在15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃時相對差值為負，其中氣溫為15 ℃時，相對差值最大，為-5.80%。

2)選取日平均相對濕度45%、50%、55%……，每間隔5%取1個值。當日平均相對濕度為45%、70%、75%、85%時，數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)差值為負，最大為-0.10 h·d-1(相對濕度85%)；相對濕度為50%～65%、80%、90%～100%時差值為正，最大為0.26 h·d-1(相對濕度100%)。當日平均相對濕度為45%～50%、60%～90%時，數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)相對差值為負，最大為-7.26%(相對濕度90%)；相對濕度為55%、95%時相對差值為正，最大為5.56%(相對濕度95%)?？梢娫诟邼癍h(huán)境下數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)差值、相對差值均呈增大趨勢。

3)表1為按日平均總云量(TCC)劃分的晴天(0≤TCC≤2)、少云(2

表1 不同云量時數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)的差異

由于數(shù)字式與暗筒式日照傳感器間的感光閾值不同，晴天和少云時數(shù)字式比暗筒式記錄開始早、結(jié)束晚；多云天氣時，地面日照時有時無，數(shù)字式日照計分辨率較高，能很好地反映出這種變化；陰天的光強對于兩種儀器均難以產(chǎn)生感光，如果云層較薄，透過云層的太陽散射光，其輻照度有時可能達到或超過日照閾值[13]，但感光較淡，觀測員描劃鉛筆線可能有誤差，暗筒式日照計數(shù)值會高于數(shù)字式。

2.5 數(shù)字式與暗筒式的空間差異

黃岡市南部地區(qū)臨靠長江，水系發(fā)達，水汽含量充足，相對濕度偏大，而北部地區(qū)氣候相對干燥，雨水較少，兩種觀測方式在不同環(huán)境下的日照時數(shù)差值和相對差值存在空間差異。麻城、黃梅、紅安、浠水、羅田5站差值為正，差值在0.13～0.56 h·d-1，最大差值出現(xiàn)在麻城；團風、武穴、蘄春、黃岡、英山5站差值為負，在-0.88～-0.02 h·d-1，最大差值出現(xiàn)在團風；麻城、黃梅、紅安、浠水、羅田5站相對差值為正，在0.1%～10.4%，最大出現(xiàn)在麻城；團風、武穴、黃岡、蘄春、英山5站相對差值為負，在-16.8%～-2.3%，最大出現(xiàn)在團風。

2.6 數(shù)字式與暗筒式差異原因分析

2.6.1 儀器工作原理不同造成的系統(tǒng)誤差

暗筒式日照所感知的太陽直接輻照度沒有一個準確的閾值數(shù)據(jù)，再加上感光藥品質(zhì)量、觀測員涂藥等不確定性偏差，對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定影響[14，15]。而數(shù)字式日照計每10 s采樣1次輸出信號，以采樣時的日照情況累計計算日照的總量，能排除各類人為因素，觀測數(shù)據(jù)的準確性更加符合規(guī)范要求。

2.6.2 偶然性誤差

一是風沙影響，有時風力過大將沙塵或樹葉卷起堵塞暗筒式日照計進光孔，引起日照時數(shù)失真；二是強降水影響，雨水由進光孔進入日照計后，浸濕日照紙，致使跡線中斷或模糊；灰塵、水汽凝結(jié)物使DFC2日照儀的玻璃罩產(chǎn)生污漬、日照計安裝誤差等也會使日照測量誤差偏大。

2.6.3 探測環(huán)境誤差

大氣探測環(huán)境改變引起的誤差。如觀測場日出日落方向障礙物高度的變化會造成觀測數(shù)據(jù)的變化。

3 結(jié)束語

文章通過對比分析數(shù)字式和暗筒式日照計觀測資料，得出如下結(jié)論：

1)數(shù)字式日照時數(shù)較暗筒式逐時變化規(guī)律一致，差值在-0.5～1.0 h·h-1。日出(日落)時段數(shù)字式日照時數(shù)多于暗筒式，隨著日照時數(shù)的快速升高(降低)兩者差值逐漸擴大。

2)數(shù)字式較暗筒式日平均日照略微偏多，數(shù)據(jù)一致性較好，線性相關(guān)顯著，且隨著日照時數(shù)的增加兩者更為接近；日差值與相對差值頻率均呈偏正態(tài)分布。

3)數(shù)字式日照時數(shù)與暗筒值各月間差值和相對差值差異明顯，1月差值最大，5月最小，2月相對差值最大，4月最小。

4)氣溫在5 ℃時數(shù)字式日照時數(shù)與暗筒式差值最大，氣溫在15 ℃時，相對差值最大。高濕環(huán)境下，相對差值偏大；在多云條件下差異最小，在晴天條件下差值最大，在陰天的條件下，相對差值最大。

5)數(shù)字式與暗筒式日照時數(shù)的差值、相對差值存在空間差異，麻城、黃梅等5站差值和相對差值均為正，團風、武穴等5站差值和相對差值均為負。